POLITYKA ENERGETYCZNA Tom 15 G Zeszyt 4 G 2012
ISSN 1429-6675
Beata KLOJZY-KARCZMARCZYK*
Przewidywane zmiany chemizmu wód
powierzchniowych po zrzucie wód kopalnianych w warunkach obni¿onej temperatury
STRESZCZENIE. W warunkach górniczych zachodzi koniecznoœæ odwadniania wyrobisk oraz zrzut wód do³owych do wód powierzchniowych o zró¿nicowanej mineralizacji i temperaturze.
Najczêstszym postêpowaniem jest ich bezpoœrednie wprowadzanie do cieków powierzchnio- wych. Jednak wody do³owe przed zrzutem mog¹ zostaæ wykorzystane w ró¿norodnych celach technologicznych, przez co zmieniaj¹ siê ich parametry, a zatem zmienia siê charakter przemian w wodach odbiornika. Zarówno na etapie eksploatacji z³o¿a, jak te¿ na etapie likwidacji kopalni pojawiaj¹ siê mo¿liwoœci wykorzystania wód do³owych jako niskotem- peraturowego dolnego Ÿród³a dla sprê¿arkowych pomp ciep³a, co prowadziæ bêdzie do obni¿enia ich temperatury, najczêœciej w granicach od 3 do 6°C w zale¿noœci od wydajnoœci.
W pracy przedstawiono wyniki symulacji zmiany chemizmu przyk³adowych wód powierz- chniowych o niskiej, a tak¿e o podwy¿szonej mineralizacji w wyniku zrzutu wód do³owych kopalni rud cynku i o³owiu o temperaturze pierwotnej oraz obni¿onej w wyniku potencjalnego wykorzystania przez pompê ciep³a. Proces mieszania wód o ró¿nym sk³adzie chemicznym prowadzi niew¹tpliwie do zmian charakterystyki hydrogeochemicznej roztworów wyniko- wych. Celem pracy by³o wykazanie, czy zmiana temperatury wód do³owych spowodowana ich wykorzystaniem do celów energetycznych bêdzie mieæ wp³yw, i w jakim stopniu, na kszta³towanie siê jakoœci wód odbiornika. W wyniku przeprowadzonej symulacji z wyko- rzystaniem obliczeñ programem PHREEQC stwierdzono, ¿e w wodach o podwy¿szonej mineralizacji zmniejsza siê udzia³ jonów prostych (wapnia i siarczanów) oraz zwiêksza pozosta³ych form, w porównaniu z wodami o ni¿szej mineralizacji. Przy wprowadzaniu wód
* Dr in¿. – Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ PAN, Kraków;
e-mail: beatakk@min-pan.krakow.pl
kopalnianych o obni¿onej temperaturze do wód powierzchniowych, w ka¿dym przypadku obserwowaæ siê bêdzie wzrost udzia³u jonów prostych w ca³kowitej zawartoœci konkretnego sk³adnika. W efekcie zrzutu wód kopalnianych do wód powierzchniowych, w szczególnoœci o niskiej mineralizacji, nast¹pi wzrost nasycenia mieszaniny roztworów wzglêdem faz siar- czanowych oraz faz wêglanowych. We wszystkich roztworach wodnych istnieje tendencja do wytr¹cania zwi¹zków manganu i glinu. Przy zrzucie sch³odzonych wód kopalnianych wskaŸniki nasycenia w wodach odbiornika tak¿e znacz¹co ulegaj¹ zmianie, ale s¹ nieco bli¿sze wartoœciom pocz¹tkowym, charakterystycznym dla wód o ni¿szej mineralizacji.
S£OWA KLUCZOWE: wody kopalniane, pompy ciep³a, obni¿anie temperatury, cieki powierzchniowe, zmiana stanu chemicznego
Wprowadzenie
W trakcie eksploatacji wód kopalnianych, wynikaj¹cej z koniecznoœci odwadniania wyrobisk górniczych, najczêstszym postêpowaniem jest ich bezpoœrednie wprowadzanie do cieków powierzchniowych. Jednak wody do³owe przed zrzutem mog¹ zostaæ wykorzystane w ró¿norodnych celach technologicznych, przez co zmieniaj¹ siê ich parametry. W trakcie eksploatacji kopalni i odwadniania wyrobisk, a tak¿e po jej zaprzestaniu pojawiaj¹ siê mo¿liwoœci wykorzystania wód do³owych jako niskotemperaturowego dolnego Ÿród³a dla sprê¿arkowych pomp ciep³a (Kleta i in. 2000; Klojzy-Karczmarczyk i in. 2006; Ma³olepszy 2003).
Zaprzestanie odwadniania wyrobisk kopalni lub jego ograniczanie jest naturaln¹ kon- sekwencj¹ zaniechania eksploatacji z³o¿a. W takiej sytuacji nastêpuje powolny proces odbudowy zwierciad³a w zbiorniku wód podziemnych. W wyniku zmian warunków hydro- dynamicznych, dochodzi czêsto do uruchomienia procesów hydrogeochemicznych, które mog¹ doprowadziæ do niekorzystnych zmian chemizmu wód wczeœniej eksploatowanego poziomu wodonoœnego (m.in. Czop i in. 2003; Fr¹czek 2005; Szczepañski 2004). Wyko- rzystanie wód kopalnianych równie¿ po zakoñczeniu eksploatacji, miêdzy innymi dla potrzeb systemu grzewczego z pomp¹ ciep³a, jest alternatywnym rozwi¹zaniem dla zaprze- stania odwadniania, przez co mo¿e byæ prowadzona jego kontynuacja na dotychczasowym lub ograniczonym poziomie. Takie postêpowanie mo¿e okazaæ siê uzasadnione ekono- micznie i ekologicznie zw³aszcza, ¿e na realizacjê takowych przedsiêwziêæ istnieje mo¿li- woœæ pozyskania wsparcia finansowego z wielu instytucji (Gnatowska 2009; G³uszek, Magiera 2008; http://www.nfosigw.gov.pl).
Temperatura wód do³owych pompowanych na powierzchniê kszta³tuje siê w szerokich granicach uzale¿nionych zarówno od lokalizacji jak te¿ charakteru z³o¿a. W regionie górnoœl¹skim, z kopalñ wêgla oraz rud cynku i o³owiu – zarówno czynnych jak te¿ bêd¹cych w trakcie likwidacji – mog¹ byæ pompowane wody do³owe w znacz¹cej iloœci o temperaturze od kilkunastu do ponad 20°C (Solik-Heliasz 2010; Bujakowski i in. 2005). Wody te, poza pojedynczymi przypadkami, nie s¹ wykorzystywane w celach energetycznych i bezpo-
œrednio kierowane s¹ do cieków powierzchniowych. Zagraniczne Ÿród³a opisuj¹ natomiast liczne przypadki wykorzystania wód do³owych w systemach grzewczych z pomp¹ ciep³a, co wskazuje na mo¿liwoœci rozwoju analogicznych systemów, równie¿ w polskich wa- runkach (m.in. Banks i in. 2003; Watzlaf, Ackman 2006).
Istotnym zagadnieniem jest okreœlenie zmian charakteru chemicznego roztworów wod- nych, bêd¹cych efektem zrzutu wód kopalnianych do cieków powierzchniowych, przy zachowaniu ich rzeczywistej temperatury oraz temperatury obni¿onej. Celem pracy by³o wykazanie, czy zmiana temperatury wód do³owych spowodowana ich potencjalnym wyko- rzystaniem do celów energetycznych bêdzie mia³a wp³yw, i w jakim stopniu, na kszta³to- wanie siê jakoœci wód odbiornika. W pracy przedstawiono wyniki symulacji zmiany chemiz- mu przyk³adowych wód powierzchniowych (rzeka Chech³o w rejonie Trzebini) o niskiej, a tak¿e podwy¿szonej mineralizacji, w wyniku zrzutu wód do³owych kopalni rud cynku i o³owiu.
1. Charakterystyka wód objêtych analiz¹
Przeprowadzona symulacja potencjalnych zmian chemizmu wód odbiornika oparta zo- sta³a na roztworach rzeczywistych, jednak nie bêd¹cych w kontakcie bezpoœrednim w wa- runkach lokalnych. Istot¹ przeprowadzonej symulacji by³o wykazanie ró¿nic zmian che- mizmu w przypadku zrzutu wód kopalnianych, w warunkach rzeczywistej oraz obni¿onej temperatury do cieku powierzchniowego, przy za³o¿eniu wspólnego obszaru badawczego.
Do analizy przeznaczono rzeczywiste roztwory wodne charakterystyczne dla wód kopal- nianych ZG Trzebionka oraz dla cieku powierzchniowego z tego obszaru – rzeki Chech³o (wody posiadaj¹ kontakt poœredni ze zrzutem wód kopalnianych poprzez mniejsze potoki), gdzie mo¿na wyró¿niæ wody o zró¿nicowanej mineralizacji. Temperatura wód do³owych pompowanych na powierzchniê stabilizuje siê na poziomie 11–12°C.
Kopalnia Trzebionka, zlokalizowana na obszarze aglomeracji chrzanowsko-trzebiñskiej, eksploatowa³a z³o¿e rud cynku i o³owiu w utworach wêglanowych wieku triasowego. W wy- niku drena¿u kopalni osuszone zosta³o w znacznym stopniu triasowe piêtro wodonoœne.
Pompowane wody kopalniane wykorzystywano czêœciowo na potrzeby w³asne zak³adu oraz potrzeby komunalne Trzebini i Chrzanowa, a ich nadmiar kierowany by³ do cieku powierzchniowego – potoku Wodna bêd¹cego lewobrze¿nym dop³ywem potoku Luszówka w zlewni potoku Chech³o. W roku 2009 zaprzestano eksploatacji z³o¿a rud cynku i o³owiu.
Naturalnym nastêpstwem takiej sytuacji jest zaprzestanie odwadniania wyrobisk kopalni lub jego ograniczanie. W konsekwencji nastêpuje powolny proces odbudowy zwierciad³a w zbiorniku wód podziemnych. Iloœæ wód triasowych dop³ywaj¹cych do wyrobisk kopalni Trzebionka oraz ich jakoœæ na przestrzeni lat podlega³y znacznym zmianom. W etapie koñcowym eksploatacji wody kopalniane pompowane szybem „W³odzimierz” wykazywa³y podwy¿szon¹ mineralizacjê na poziomie 700–800 mg/dm3. Mineralizacja tych wód zwi¹- zana by³a g³ównie z siarczanami (blisko 250 mg/dm3) oraz wapniem i magnezem. Obecnie
(2012 r.) mineralizacja wód kopalnianych uleg³a obni¿eniu do poziomu 400–500 mg/dm3, a stê¿enie siarczanów siêga 140–200 mg/dm3. Odczyn wód poziomu triasowego kszta³tuje siê na poziomie 6,7–7,7. Badania chemizmu wód do³owych nie wykazuj¹ wysokich za- wartoœci o³owiu, cynku, ¿elaza oraz manganu. Analiza przeprowadzona we wczeœniejszych latach wykaza³a, ¿e teoretycznie istniej¹ mo¿liwoœci energetycznego wykorzystania wód do³owych kopalni Trzebionka zarówno z uwagi na wielkoœæ energii mo¿liw¹ do pozyskania, jak te¿ sk³ad fizykochemiczny wody, z zastosowaniem wymiennika poœredniego, co uzasad- nia³oby jednoczeœnie kontynuacjê procesu odwadniania (Kleta i in. 2000; Karczmarczyk 2003; Klojzy-Karczmarczyk i in. 2006).
Wody powierzchniowe rzeki Chech³o charakteryzuj¹ siê znaczn¹ zmiennoœci¹ mine- ralizacji i sk³adu chemicznego. Wed³ug analiz próbek wód pobranych w pocz¹tkowym biegu rzeki s¹ to wody generalnie dobrej jakoœci i wykazuj¹ nisk¹ mineralizacjê rzêdu 160 mg/dm3 (próbka Chech³o1; tab. 1). Podstawowymi sk³adnikami s¹ chlorki, wodorowêglany oraz wapñ. W próbkach pobranych poni¿ej oczyszczalni œcieków w Chrzanowie zdecydowanie wzrasta mineralizacja powy¿ej 700 mg/dm3(próbka Chech³o 2; tab. 1). Podstawowe sk³ad- niki tych wód to siarczany, wodorowêglany oraz wapñ i magnez. Odczyn wód rzeki Chech³o kszta³tuje siê w granicach 7,0–7,7.
2. Za³o¿enia przyjête do analizy
Zrzut wysokozmineralizowanych wód do³owych wp³ywa niew¹tpliwie na zmianê ja- koœci wód odbiornika bez wzglêdu na jego pierwotn¹ charakterystykê (Szczepañski 2004;
Szczepañski, Ró¿kowski 2007; Klojzy-Karczmarczyk 2012). Wykorzystanie wód do³owych w ró¿norodnych celach technologicznych (m.in. energetycznych oraz socjalno-bytowych) bêdzie zmieniaæ ich parametry, a zatem potencjalnie zmieniaæ siê mo¿e – w takim przypad- ku – dodatkowo charakter przemian fizycznych i chemicznych w wodach rozwa¿anego od- biornika. Warunkiem stawianym przez sektor gospodarczy dla wykorzystania wody do³owej w celach energetycznych jest jej odpowiednia temperatura, sk³ad fizykochemiczny oraz wystarczaj¹ca wydajnoœæ. W wyniku zastosowania wody do³owej jako dolnego Ÿród³a dla pompy ciep³a nastêpowaæ bêdzie obni¿enie jej temperatury w granicach od 3 do 6°C w zale¿noœci od wydajnoœci, a przy realizacji niestandardowych rozwi¹zañ wielkoœæ ta mo¿e wzrastaæ dwukrotnie. Temperatura wody jest podstawowym czynnikiem wp³ywaj¹cym na przebieg procesów hydrogeochemicznych, a wraz z jej obni¿aniem lub wzrostem zmienia siê charakter przemian.
Temperatura pierwotna wód do³owych zosta³a przyjêta na poziomie 12°C, a nastêpnie wielkoœæ ta zosta³a obni¿ona o 6°C. Analizowano potencjaln¹ zmiennoœæ chemizmu przy wprowadzaniu wód kopalnianych o za³o¿onej zmiennej temperaturze do wód powierzchnio- wych o temperaturze 12°C, charakterystycznej dla okresu letniego, oraz o temperaturze 4°C charakterystycznej dla okresu zimowego (temperatury dla podanych okresów wed³ug Wiejaczki 2007). Analiza zosta³a przeprowadzona przy zdecydowanie uogólnionych za³o-
¿eniach, posiada zatem orientacyjny charakter i pokazuje tendencje zmian. Symulacjê efektu hydrogeochemicznego mieszania roztworów wodnych w zmiennych zakresach temperatur prowadzono z wykorzystaniem programu PHREEQC (Parkhurst, Appelo 2003). W pracach modelowych uwzglêdniono szereg parametrów fizykochemicznych, takich jak temperatura, pH, Eh oraz stê¿enie Cl, SO4, HCO3, NO3, NO2, NH4, F, Na, K, Ca, Mg, Fe, P, B, Mn, Ba, Al, Zn, Pb, Sr, Cu, Cd, Li. Za³o¿ono sta³e warunki Eh i pH. Odczyn wód przyjêto na poziomie charakterystycznym dla roztworów rzeczywistych (tab. 1), natomiast warunki utleniaj¹co-redukcyjne ustalono w granicach charakterystycznych dla œrodowiska utlenia- j¹cego na poziomie Eh = +0,3 V. Symulacjê efektu mieszania wód o ró¿nym sk³adzie chemicznym prowadzono przy stosunku objêtoœciowym wód kopalnianych do wód po- wierzchniowych 1:1. Zestawienie analizowanych mieszanin roztworów wodnych przed- stawiono w tabeli 1.
TABELA1. Zestawienie próbek wód przyjêtych do analizy w procesie mieszania roztworów wodnych z za³o¿eniem obni¿ania temperatury wód do³owych
TABLE1. List of water samples taken for analysis in the process of mixing aqueous solutions on the assumption of reduced mine waters’ temperature
Numer
próbki Charakterystyka roztworu wodnego Typ
hydrogeochemiczny*
1. Wody kopalniane ZG Trzebionka;temp. 12°C; M = 800 mg/dm3, pH = 7,1
SO4-HCO3-Ca-Mg 2. Wody kopalniane ZG Trzebionka;temp. 6°C
3. Woda z rzeki Chech³o (Chech³o 1);temp. 12°C
woda niskozmineralizowana M = 154 mg/dm3, pH = 7,0 Cl-HCO3-Ca 4. Woda z rzeki Chech³o (Chech³o 1);temp. 4°C
5. Woda z rzeki Chech³o (Chech³o 2);temp. 12°C
woda o podwy¿szonej mineralizacji M = 704 mg/dm3, pH = 7,7 SO4-HCO3-Cl- Ca-Mg-Na 6. Woda z rzeki Chech³o (Chech³o 2);temp. 4°C
7.
Roztwory 1:1
Wody kopalniane (temp.12°C) + Chech³o 1 (temp.12°C)
SO4-HCO3-Ca-Mg 8. Wody kopalniane (temp.12°C) + Chech³o 1 (temp.4°C)
9. Wody kopalniane (temp.6°C) + Chech³o 1 (temp.12°C) 10. Wody kopalniane (temp.6°C) + Chech³o 1 (temp.4°C) 11. Wody kopalniane (temp.12°C) + Chech³o2 (temp.12°C)
SO4-HCO3-Ca-Mg 12. Wody kopalniane (temp.12°C) +Chech³o 2 (temp.4°C)
13. Wody kopalniane (temp.6°C) + Chech³o 2 (temp.12°C) 14. Wody kopalniane (temp.6°C) +Chech³o 2 (temp.4°C)
* Typ hydrogeochemiczny wed³ug Szczukariewa-Prik³oñskiego (Klojzy-Karczmarczyk 2012)
3. Analiza efektu mieszania wód w warunkach obni¿onej temperatury
Procesy kszta³tuj¹ce sk³ad chemiczny wód podziemnych i powierzchniowych uzale¿- nione s¹ od wielu warunków i parametrów. Za³o¿ona w analizie zmiana temperatury decyduje miêdzy innymi o stanie równowagi i szybkoœci przebiegu reakcji rozpuszczania minera³ów i gazów oraz warunkuje wystêpowanie okreœlonych form substancji w wodach (specjacji). W wyniku potencjalnego zrzutu wód kopalnianych o podwy¿szonej mine- ralizacji nast¹pi niew¹tpliwie zmiana typu hydrogeochemicznego wód powierzchniowych, co by³o przedmiotem wczeœniejszych rozwa¿añ (Klojzy-Karczmarczyk 2012), a wprowa- dzona klasyfikacja odzwierciedla ogóln¹ charakterystykê chemiczn¹ roztworu wodnego (tab. 1). W analizowanych wodach powierzchniowych o niskiej mineralizacji jonami domi- nuj¹cymi s¹ chlorki, wodorowêglany oraz wapñ. Wody powierzchniowe o podwy¿szonej mineralizacji wykazuj¹ natomiast charakterystyczn¹ wielojonowoœæ. Przy za³o¿eniu zrzutu wód kopalnianych do wód powierzchniowych, ich typ hydrogeochemiczny ulega zmianie w kierunku dominacji jonów charakterystycznych dla wód kopalnianych.
W warunkach obni¿onej temperatury wód kopalnianych – a tym samym mieszanin roztworów wodnych – szczegó³ow¹ analiz¹ objêto zmiennoœæ specjacji (w szczególnoœci siarczanów i wapnia) oraz nasycenie roztworów wzglêdem faz mineralnych. WskaŸniki te uzale¿nione s¹ w du¿ej mierze od temperatury roztworu.
Wyniki przeprowadzonej symulacji z wykorzystaniem obliczeñ programem PHREEQC wskazuj¹, ¿e w porównaniu z mieszaninami wód o ni¿szej mineralizacji, w wodach zmiesza- nych o podwy¿szonej mineralizacji mniejszy jest udzia³ jonów prostych (w tym przypadku o ok. 3–5 %) oraz wy¿szy pozosta³ych form (g³ównie jonów z³o¿onych tworz¹cych zwi¹zki kompleksowe). Jednoczeœnie w roztworach o obni¿onej temperaturze wzrasta udzia³ jonów prostych (Ca2+oraz SO42) w odniesieniu do ca³kowitego stê¿enia konkretnego sk³adnika w wodzie. Wprowadzanie wód kopalnianych o obni¿onej temperaturze do wód powierz- chniowych bêdzie generowaæ zatem dalszy wzrost udzia³u jonów prostych (o ok. 0,3–0,7 %) w ca³kowitej zawartoœci konkretnego sk³adnika oraz równoczesne zmniejszanie udzia³u pozosta³ych jonów lub par jonowych (tab. 2, rys. 1).
W wyniku mieszania roztworów wodnych oraz zmiany temperatury nastêpuje zmiana wskaŸnika nasycenia roztworów wzglêdem poszczególnych faz mineralnych. Stan niedo- sycenia wody wzglêdem wybranej fazy mineralnej (wskaŸnik nasycenia SI < 0) wskazuje na mo¿liwoœæ jej rozpuszczania, je¿eli wystêpuje ona w oœrodku otaczaj¹cym. Stan przesycenia (wskaŸnik nasycenia SI > 0) oznacza, ¿e istnieje tendencja do wytr¹cania analizowanej fazy mineralnej z roztworu wodnego, przy braku mo¿liwoœci jej rozpuszczania w konkretnych wa- runkach. Przeprowadzono analizê wskaŸników nasycenia roztworów wzglêdem wybranych faz mineralnych – faz siarczanowych, wêglanowych i halitu oraz zwi¹zków glinu i manganu, przy potencjalnym zrzucie wód do³owych kopalni rud Zn-Pb do wód powierzchniowych (w stosunku objêtoœciowym 1:1). Przeprowadzona analiza zmiany wskaŸników nasycenia SI wzglêdem wybranych zwi¹zków przedstawiona zosta³a na rysunkach 2a oraz 2b.
TABELA2. G³ówne specjacje jonów wapnia i siarczanów w próbkach zmieszanych wód przy za³o¿eniu zmiennej temperatury (symulacja z wykorzystaniem programu PHREEQC)
TABLE2. Main speciations of calcium and sulphate ions in samples of mixed waters, on the assumption of variable temperature (simulation using PHREEQC software)
Specjacje Wody do³owe (12°C) + + Chech³o 1 (12°C)
Wody do³owe (12°C) + + Chech³o 1 (4°C)
Wody do³owe (6°C) + + Chech³o 1 (12°C)
Wody do³owe (6°C) + + Chech³o 1 (4°C) Catotal= 75,13 [mg/dm3]
Ca+2[% mval] 90,09 90,46 90,35 90,72
SO4 total= 134,17 [mg/dm3]
SO42–[% mval] 81,40 82,33 82,12 82,98
Specjacje Wody do³owe (12°C) + + Chech³o 2 (12°C)
Wody do³owe (12°C) + + Chech³o 2 (4°C)
Wody do³owe (6°C) + + Chech³o 2 (12°C)
Wody do³owe (6°C) + + Chech³o 2 (4°C) Catotal= 112,61 [mg/dm3]
Ca+2[% mval] 86,45 86,91 86,81 87,30
SO4 total= 235,14 [mg/dm3]
SO42–[% mval] 78,11 79,13 78,88 79,90
Rys. 1. Zmiana g³ównych specjacji jonów wapnia i siarczanów w próbkach zmieszanych wód w warunkach obni¿onej temperatury
Fig. 1. Change of major speciations of calcium and sulphate ions in samples of mixed waters under decreasing temperature conditions
Analiza wykaza³a, ¿e w efekcie mieszania przedmiotowych roztworów przy zró¿nico- wanych temperaturach nastêpuje zmiana ich stanu nasycenia wzglêdem analizowanych faz mineralnych. W wyniku wprowadzenia wód kopalnianych do wód powierzchniowych o niskiej mineralizacji nastêpowaæ bêdzie zdecydowany wzrost nasycenia mieszaniny roz- tworów wzglêdem faz siarczanowych oraz wêglanowych w odniesieniu do wartoœci charak- terystycznych dla wód powierzchniowych (rys. 2a). Generalnie analizowane roztwory nadal znajduj¹ siê jednak w stanie niedosycenia, jedynie wskaŸnik nasycenia wzglêdem barytu
Rys. 2b. Zmiany wskaŸników nasycenia roztworów wzglêdem wybranych faz mineralnych z uwzglêdnieniem mieszania wód oraz zró¿nicowania temperatur (obliczenia PHREEQC) Fig. 2b. Changes in saturation indices of solutions of selected mineral phases including the mixing of water
and temperature variation (PHREEQC calculations)
Rys. 2a. Zmiany wskaŸników nasycenia roztworów wzglêdem wybranych faz mineralnych z uwzglêdnieniem mieszania wód oraz zró¿nicowania temperatur (obliczenia PHREEQC) Fig. 2a. Changes in saturation indices of solutions of selected mineral phases including the mixing of water
and temperature variation (PHREEQC calculations)
wskazuje na mo¿liwoœæ wytr¹cania go z roztworu. W sytuacji wprowadzania sch³odzonych wód kopalnianych do odbiornika (zarówno w warunkach letnich jak te¿ zimowych) nastê- powaæ bêdzie nieznaczny wzrost nasycenia wzglêdem faz siarczanowych w odniesieniu do efektu wprowadzania wód o temperaturze pierwotnej oraz jednoczesne obni¿enie nasycenia wzglêdem faz wêglanowych.
W wyniku zrzutu wód kopalnianych do wód powierzchniowych o podwy¿szonej minera- lizacji stan hydrogeochemiczny roztworów wynikowych kszta³towaæ siê bêdzie nieco inaczej.
Generalnie obserwowany jest stan przesycenia roztworów wejœciowych dolomitem oraz kalcytem, co sugeruje mo¿liwoœæ ich wytr¹cania z roztworu. Po teoretycznym wprowadzeniu wód kopalnianych do wód powierzchniowych obserwuje siê nieznaczne obni¿enie wskaŸ- ników nasycenia, a przy za³o¿eniu obni¿ania temperatury wód do³owych o 6°C stan nasycenia wêglanami zbli¿a siê do granic równowagi, zarówno w miesi¹cach letnich jak te¿ zimowych.
WskaŸnik nasycenia wzglêdem faz siarczanowych w warunkach obni¿onej temperatury niez- nacznie wzrasta, ale nie prowadzi do zmian stanu nasycenia, z wyj¹tkiem barytu, który wykazuje tendencje do wytr¹cania w ka¿dym z analizowanych przypadków.
Analizie hydrogeochemicznej poddano ponadto fazy mineralne z grupy tlenków man- ganu (piroluzyt, manganit oraz hausmanit) a tak¿e glinu (gibbsyt), tworzone w wyniku symulacji programem PHREEQCE (rys. 2b). Pozosta³e zwi¹zki, w tym zwi¹zki ¿elaza, pozostaj¹ generalnie w stanie zdecydowanego niedosycenia w roztworze. Wszystkie anali- zowane roztwory pozostaj¹ ponadto w stanie znacznego niedosycenia halitem, co decyduje o potencjalnej mo¿liwoœci ich wzbogacania w jony chlorkowe, a zmiana temperatury nie ma w tym przypadku istotnego znaczenia.
We wszystkich analizowanych roztworach wodnych istnieje tendencja do wytr¹cania zwi¹zków manganu i glinu. Wraz z obni¿aniem temperatury stan nasycenia zwi¹zkami glinu nieznacznie wzrasta w analizowanych przypadkach. Zwi¹zki manganu wykazuj¹ natomiast zró¿nicowany obraz zmian w warunkach obni¿ania temperatury. Wspó³wystêpuj¹ce czêsto w warunkach naturalnych manganit i piroluzyt, podobnie jak zwi¹zki glinu, w ka¿dym przypadku wykazuj¹ tendencje do wytr¹cania, która nieznacznie wzrasta w warunkach ni¿szej temperatury (o wartoœæ rzêdu kilku %). Symulacje przeprowadzone programem PHREEQC wykaza³y natomiast odmienn¹ tendencjê w przypadku nasycenia roztworów hausmanitem, gdzie wraz z obni¿aniem temperatury nasycenie to maleje. Takie zró¿ni- cowanie form manganu i ich rozpuszczalnoœci zwi¹zane jest niew¹tpliwie z procesami, o których decyduje szereg parametrów œrodowiskowych, g³ównie za³o¿one warunki Eh i pH oraz wspó³wystêpowanie innych zwi¹zków i form jonowych.
Podsumowanie i wnioski
W warunkach górniczych konieczne s¹ odwadnianie wyrobisk oraz zrzut wód do³owych do wód powierzchniowych o zró¿nicowanej mineralizacji i temperaturze. Zarówno na etapie eksploatacji z³o¿a, jak te¿ po jej zaprzestaniu – czyli w fazie likwidacji – istnieje mo¿liwoœæ
wykorzystania wód do³owych jako niskotemperaturowego Ÿród³a dla sprê¿arkowych pomp ciep³a, co prowadziæ bêdzie do obni¿enia ich temperatury, najczêœciej w granicach od 3 do 6°C w zale¿noœci od wymaganej wydajnoœci.
Proces mieszania wód o ró¿nym sk³adzie chemicznym bêdzie prowadziæ do zmian charakterystyki hydrogeochemicznej roztworów wynikowych, a obni¿enie temperatury wód kopalnianych w analizowanym zakresie nie bêdzie mia³o istotnego wp³ywu na jej kszta³to- wanie. W wyniku przeprowadzonej symulacji z wykorzystaniem programu PHREEQC stwierdzono, ¿e w wodach o podwy¿szonej mineralizacji zauwa¿a siê mniejszy udzia³ jonów prostych (wapnia i siarczanów) oraz wy¿szy pozosta³ych form w porównaniu z wodami o ni¿szej mineralizacji. Przy wprowadzaniu wód kopalnianych o obni¿onej temperaturze do wód powierzchniowych, w ka¿dym przypadku przewidywany jest dalszy wzrost udzia³u jonów prostych w ca³kowitej zawartoœci konkretnego sk³adnika.
W efekcie potencjalnego zrzutu wód kopalnianych do wód powierzchniowych o niskiej mineralizacji, nastêpowaæ bêdzie wzrost nasycenia mieszaniny roztworów wzglêdem faz siarczanowych oraz faz wêglanowych. Przy zrzucie sch³odzonych wód kopalnianych wskaŸ- niki nasycenia w wodach odbiornika tak¿e znacz¹co ulegn¹ zmianie, ale bêd¹ nieco bli¿sze wartoœciom pocz¹tkowym, charakterystycznym dla wód o ni¿szej mineralizacji. Natomiast w przypadku zrzutu wód kopalnianych do cieku prowadz¹cego wody o podwy¿szonej mine- ralizacji, sch³adzanie wody do³owej prowadziæ bêdzie do zmniejszenia stanu nasycenia roztworu fazami wêglanowymi, co skutkuje obni¿eniem tendencji do ich wytr¹cania z roz- tworu. We wszystkich roztworach wodnych istnieje mo¿liwoœæ wytr¹cania zwi¹zków man- ganu i glinu.
Generalnie, na podstawie przeprowadzonych symulacji przewiduje siê, ¿e nasycenie wód zmieszanych wzglêdem faz mineralnych (poza wêglanowymi) w warunkach obni¿onej temperatury bêdzie nieznacznie wzrastaæ w odniesieniu do wartoœci uzyskanych przy zrzu- cie wód o temperaturze pierwotnej. Proces ten nie bêdzie jednak prowadziæ do zdecydo- wanej zmiany ich stanu nasycenia. WyraŸne zmiany jakoœci wód powierzchniowych s¹ wynikiem samego zrzutu wód kopalnianych, a ich dodatkowe sch³adzanie w rozpatrywanym zakresie temperatur nie bêdzie prowadziæ do pogorszenia ich stanu.
W pracy przedstawiono wyniki symulacji zmiany chemizmu wód powierzchniowych o niskiej, a tak¿e o podwy¿szonej mineralizacji, na przyk³adzie roztworów rzeczywistych (rzeka Chech³o), bêd¹cych potencjalnym odbiornikiem zrzutu wód do³owych kopalni rud cynku i o³owiu Trzebionka. Wykonana w pracy analiza oparta jest zatem na konkretnych roztworach z rejonu Trzebini, a uzyskane wyniki odnosz¹ siê do tego obszaru. Przepro- wadzenie analogicznej analizy dla innych roztworów, z innych obszarów o odmiennej charakterystyce fizykochemicznej i temperaturze mo¿e wykazaæ odmienne tempo i cha- rakter przemian, równie¿ w warunkach obni¿onej temperatury.
Przeprowadzona we wczeœniejszych latach analiza wykaza³a mo¿liwoœæ energetycznego wykorzystania wód do³owych kopalni Trzebionka, z uwagi na wielkoœæ energii mo¿liw¹ do pozyskania (Klojzy-Karczmarczyk i in. 2006). Wyniki symulacji przedstawione w prezen- towanej pracy wykaza³y brak negatywnego oddzia³ywania zastosowania systemu grzew- czego z pomp¹ ciep³a na jakoœæ œrodowiska hydrogeochemicznego, oczywiœcie w ana- lizowanym przypadku i przy przyjêtych za³o¿eniach.
Literatura
BANKSi in. 2003 – BANKSD., SKARPHAGENH., WILTSHIRER., JESSOPC., 2003 – Mine water as a resource: space heating and cooling via use of heat pumps. Land Contamination & Re- clamation, 11 (2), p. 191–198.
BUJAKOWSKIi in. 2005 – BUJAKOWSKIW., BARBACKIA., PAJ¥KL., 2005 – Mo¿liwoœci wyko- rzystania niskotemperaturowych wód w k¹pieliskach termalnych w rejonie Krakowa. Polityka Energetyczna t. 8, z. 2, s. 77–94, Wyd. IGSMiE PAN.
CZOP i in. 2003 – CZOP M., MOTYKAJ., SZUWARZYÑSKI M., 2003 – Zmiany stê¿enia siarcza- nów w wodach dop³ywaj¹cych do kopalni „Trzebionka” podczas pierwszego etapu zatapiania.
Wspó³czesne Problemy Hydrogeologii, Tom XI, cz. 2, s. 107–110, Gdañsk.
FR¥CZEKR., 2005 – Wp³yw likwidacji ZG Trzebionka na zmianê warunków hydrogeologicznych triasowego zbiornika wód podziemnych. Wspó³czesne Problemy Hydrogeologii, Tom XII, s. 197–202, Toruñ.
G£USZEKA., MAGIERA J., 2008 – Mo¿liwoœci konwersji energii s³onecznej do energii cieplnej w warunkach polskich. Polityka Energetyczna t. 11, z. 2, s. 41–49, Wyd. IGSMiE PAN.
GNATOWSKAR., 2009 – Formalno-prawne aspekty rozwoju odnawialnych Ÿróde³ energii. Polityka Energetyczna t. 12, z.2/2, s.131–142, Wyd. IGSMiE PAN.
http://www.nfosigw.gov.pl/
KARCZMARCZYKA., 2003 – Pompa ciep³a a projektowanie nowych systemów grzewczych. Polski Instalator 6.
KLETAH., ¯YLIÑSKIR., KARCZMARCZYKA. 2000 – Odtwarzalna energia likwidowanych kopalñ.
[W:] Budownictwo podziemne 2000. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków, s. 308 – 313.
KLOJZY-KARCZMARCZYKB., 2012 – Symulowany efekt hydrogeochemiczny mieszania wód ko- palnianych oraz powierzchniowych w rejonie Trzebini. Przegl¹d Górniczy nr 3, s.132–136.
KLOJZY-KARCZMARCZYKB., KARCZMARCZYKA., MAZUREKJ., 2006 – Mo¿liwoœci wykorzystania wód kopalnianych jako dolnego Ÿród³a dla pompy ciep³a na przyk³adzie kopalni Trzebionka.
Polityka Energetyczna t. 9, z. spec., s. 73–80, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków.
MA£OLEPSZYZ., 2003 – Man-made, low temperature geothermal reservoirs in abandoned workings of underground mines on example of Nowa Ruda cola mine, Poland. Proc, International Ge- othermal Conf (Sept 2003), Reykjavik, Iceland, p. 23–29.
PARKHURST D.L., APPELO C.A.J., 2003 – User’s Guide to PHREEQC (Version 2). A Computer Program for Speciation, Batch-Reaction, One-Dimensional Transport, and Inverse Geochemical Calculations.
SOLIK-HELIASZE., 2010 – Geothermal energy resources in waters from subsurface hard coal, zinc and lead ore mines in the Upper Silesian Coal Basin. Archives of Mining Science, vol. 55, no 4, s. 961–972.
SZCZEPAÑSKIA., 2004 – Wp³yw górnictwa na œrodowisko wodne. Przegl¹d Geologiczny nr 52, 10, s. 968–971.
SZCZEPAÑSKIA., RÓ¯KOWSKIA., 2007 – Wody kopalniane w obszarach intensywnej eksploatacji górniczej. [W:] Hydrogeologia regionalna Polski, t. 2: Wody mineralne, lecznicze i termalne oraz kopalniane (red. B. Paczyñski i A. Sadurski), s. 146–180; PIG, Warszawa.
WATZLAFG.R., ACKMANT.E., 2006 – Underground Mine Water for Heating and Cooling using Geothermal Heat Pump Systems. Mine Water and the Environment 25, s. 1–14, IMWA Springer- -Verlag.
WIEJACZKA£., 2007 – Dobowy cykl temperatury wody w rzece Ropie poni¿ej zbiornika retencyjnego w Klimkówce. Monitoring Œrodowiska Przyrodniczego nr 8, s. 91–98, Kieleckie Towarzystwo Naukowe, Kielce.
Beata KLOJZY-KARCZMARCZYK
Expected changes in surface water chemistry following the discharge of mine waters under reduced
temperature conditions
Abstract
In mining, the drainage of pits is necessary as well as the discharge of mine waters into surface waters of varying mineral composition and temperatures. The most common course of action is the direct discharge of mine water into surface watercourses. However, prior to its discharge, mine water can be used for various technological purposes which can change the parameters of both the discharge water and the receiving water. Both at the deposit mining stage and at the stage of mine closure, there are uses of mine water as a lower source for compression heat pumps. This decreases its temperature, usually in the range of 3° to 6°C depending on efficiency. This paper presents the results of simulations of changes in the surface water chemistry of low and increased mineralization as a result of mine water discharge from zinc and lead mines, analyzing initial temperature and decreased temperature due to the potential use of heat pumps. The process of mixing waters of different chemical composition undoubtedly leads to changes in the hydrogeochemical characteristics of the resulting solutions. The aim of the study presented in this paper was to examine whether a change in mine water temperature caused by its utilization for energy purposes has an impact on water quality in the receiving basin, and if so, to what extent. The results of simulations using PHREEQC calculations indicated that waters with high mineralization featured a smaller share of simple ions (calcium and sulphate) and other higher forms when compared to waters with lower mineralization. When introducing mine water with a low temperature into surface waters, in every case there was an increase in the share of simple ions in the total content of a particular component. As a result of the discharge of mine water into surface waters, especially with low mineralization, there was an increase in the saturation of solution mixtures versus sulphate and carbonate phases. In all aqueous solutions, there was a tendency of aluminium and manganese compound precipitation. Upon the discharge of chilled mine water, saturation rates in the water of the receiver also significantly changed, but they were somewhat closer to the initial values characteristic of waters with lower mineralization.
KEY WORDS: mine waters, heat pumps, lowering of temperature, surface waters, changing water chemistry
